一起雷擊事故成因分析

鄧學軍,白 慧,李洪彪,潘 竑,楊再奎

(1.貴州省黔東南自治州氣象局防雷減災中心,貴州 凱里 556000;2.貴州省黔東南自治州氣象臺,貴州 凱里 556000)

一起雷擊事故成因分析

鄧學軍1,白 慧2,李洪彪1,潘 竑1,楊再奎1

(1.貴州省黔東南自治州氣象局防雷減災中心,貴州 凱里 556000;2.貴州省黔東南自治州氣象臺,貴州 凱里 556000)

通過對凱里·黃平機場氣象站 2010年 3月 23日凌晨雷擊事故發生時的天氣系統、雷達資料、閃電定位監測資料和機場觀測場土壤墑情、機場氣象站地形地貌的分析,并結合雷擊事故現場勘察和該站雷電防護設施檢測結果分析,找出造成該站雷擊事故的原因,并提出對機場氣象站防雷設施的整改措施。

雷擊事故;成因分析

1 引言

地面自動氣象觀測站建設中對雷電防護要求非常嚴格,必須符合技術規范要求[1-4],因此,在一般情況下,地面自動氣象觀測站發生雷擊事故的概率非常小。氣象部門不少防雷工作者結合自已的實際工作,對雷電災害進行了大量的研究[5-7]。通常情況下,強雷電才容易造成災害。但凱里·黃平機場 (籌建中)地面自動氣象觀測站自建站以來,無論雷電強或弱,均多次遭遇雷擊事故。2010年 3月23日 04:00-04:30,凱里·黃平機場又遭受雷擊。由于該站不是氣象部門主管單位,黔東南州防雷減災中心技術人員應邀對雷擊災情進行調查,并對雷擊事故進行現場勘查和防雷設施的檢測。通過對這起雷擊事故原因的分析和研究,提出整改措施,對今后規范管理氣象部門和非氣象部門地面自動氣象觀測站雷電防護設施具有重要意義。

2 雷災事故概況

2010年 3月 23日凌晨 04:00-04:30,凱里 ·黃平機場氣象站自北向南出現雷雨天氣,05:00觀測時,值班觀測員發現該站自動氣象站數據監控系統顯示無風向和風速數據,初步判斷風向風速監測設備是因雷擊出現故障。據技術人員現場勘查發現,風向風速儀感應部分插線接口處有明顯過電壓起火痕跡,且測風桿避雷針導流管因雷擊劇烈膨脹或收縮而爆裂。更換風向風速儀感應器后,監控系統正常顯示風向風速數據,因而判定該地面自動氣象觀測站風向風速感應器因雷擊而損壞,造成風向風速資料記錄中斷。技術人員對該站防雷設施、接地體電阻和竄擾電壓進行檢查和測試,發現該站防雷設施完全不符合《氣象臺 (站)防雷技術規范》要求,是導致雷擊事故發生的直接原因。

3 事故原因分析

3.1 氣象因子分析

3.1.1 雷電災害影響系統分析 22日 20:00 500hPa圖上 (圖 1a),四川中部有高空槽發展東移,槽后有冷平流輸送,對應 700～850hPa川東有低渦切變,貴州上空偏南氣流增強,在兩廣和湖南一帶形成低空急流,貴州在急流左側 (圖 1b)。500hPa高空槽東移南壓,將引導中低層低渦切變系統南壓影響貴州,同時,冷平流疊加在中低層暖濕平流之上,是典型的層結不穩定溫度場配置,最容易產生對流天氣。22日 14:00地面圖上云貴地區受熱低壓影響,貴州北部有輻合線生成,冷鋒南壓到湖北南部;17:00輻合線南壓到省中部威寧—貴陽—黃平北部—玉屏一線,冷鋒進入湘北;20:00(圖 2a)輻合線在威寧—貴陽—黃平北部—天柱一線,冷鋒進入湘中,貴州東北部出現雷陣雨天氣,凱里·黃平機場位于黃平縣城東北部,恰好位于輻合線附近;23日 02:00輻合線基本維持少動,貴州中部以東以北沿輻合線附近地區出現雷陣雨天氣,05:00輻合線西段南壓到興義—貴陽南部—麻江—天柱一線,輻合線中東段地區有雷陣雨,冷鋒到達湘中偏南一帶;23日 08:00 500hPa槽已東移到貴州東部地區,850hPa切變線南壓到貴州南部一線,地面熱低壓進一步減弱西退,冷鋒影響到貴州東部和東北部地區,氣溫下降,能量釋放減弱,08:00觀測時貴州境內無雷暴,降水為小雨,說明雷電天氣結束。

圖 1 2010年 3月 22日 20時 500hPa(a)和 850hPa(b)形勢場

3.1.2 能量條件分析 20—22日受熱低壓影響,貴州大部地區氣溫回升明顯,700～850hPa為強偏南暖濕氣流控制,能量積聚增大。據黃平地面自動氣象觀測站監測,20～22日黃平日最高溫度均在25℃以上,22日為 26℃,說明大氣積蓄了充足的能量。從 K指數演變來看 (圖略),22日 20:00貴州東部和東北部地區 K指數大于 32℃,有利于雷暴發生。從貴陽 22日 20:00探空資料可知 (圖 2b),大氣具有正不穩定能量,且層結曲線呈“漏斗”狀,具有上干下濕特點,有利于對流天氣發生。

圖 2 2010年 3月 23日 02時地面形勢場 (a)和 22日 20時貴陽探空圖 (b)

3.1.3 雷達回波及閃電定位資料分析 貴州省雷達觀測資料顯示,23日 03:28在龍里北部—福泉西北部—黃平西部和黃平東北部—余慶東部—石阡西南部分別有兩條回波發展東南移,強中心在龍里北部,強度為 35～40dBz;兩條回波發展快速,04:02(圖略)兩回波向東南移動且合并增強,呈西南東北向帶狀貫穿龍里中部—貴定北部—福泉中部—黃平中部—施秉北部一線,強中心在貴定東北部,強度為 40～45dBz,黃平境內回波強度僅為 15～30dBz,回波里有多個相對較強的對流單體,凱里·黃平機場附近有一個對流單體,強度為 25～30dBz;04:07,機場上空出現一個強度為 30～35dBz的對流單體,04:25對流單體移到機場東南部;04:36整條回波東南移到龍里南部—貴定中部—福泉南部—黃平南部—施秉中部一線,對機場的影響結束。根據閃電密度和定位資料記錄 (圖略),23日共監測到黃平有閃電回擊 118次,全部為負回擊,其中最大負閃強度為 173.9kA,平均負閃強度為 40.0kA,雷電流強度分布 <20kA的閃電 1個,20～50kA的閃電101個,50～100kA的閃電 14個,100kA以上閃電的共 2個。機場氣象站上空出現雷電天氣,是凱里·黃平機場氣象站發生雷擊事故的導因。

3.1.4 土壤墑情及土壤電阻分析 土壤墑情與土壤電阻率關系密切,土壤電阻率隨土壤濕度、溫度、含水量、含鹽堿量、季節修正系數的不同而變化,而接地電阻大小與土壤電阻率直接相關,土壤電阻率過高的直接原因是土壤缺乏自由離子的輔助導電作用,高溫干燥的天氣,土壤往往是松散的,土壤導電率很低,此時所測量出的接地電阻值就會比其它時候大得多[8]。凱里·黃平機場氣象站土壤以黃土為主,通常情況下土壤電阻率在 800～1 000Ω.m之間。據黃平氣象站觀測資料分析,黃平縣自 2009年 8月以來出現了歷史罕見的夏、秋、冬連續干旱,長時間沒有出現有效降水,土壤墑情極差。盡管 3月 23日凌晨黃平出現接近 30mm的降雨,但根據黔東南州氣象臺 3月 23日對黃平實地土壤墑情觀測結果可知,雨水滲透土壤深度僅 10cm,取土測試20cm深度單位土壤含水率在 10%以下,土壤含水率極低,直接影響了土壤導電率,阻礙接閃雷電電流的泄放,是造成此次雷擊事故發生的重要原因。

3.2 機場氣象站地形地貌分析

黃平位于黔東南州西北部,處在雹云或雷雨回波從龍里→貴定→福泉→黃平→施秉→鎮遠→岑鞏→玉屏西南東北向發展的路徑上[9],凱里·黃平機場氣象站位于黃平縣新州鎮東北部的東坡農場,距離縣城約 17km,是上述路徑雹云或雷雨回波的必經之路。機場氣象站海拔高度為 916.7m,地形地貌為南高北低,東、北、西三面為溝谷,觀測場與四周地形比較,為相對獨立制高點,且觀測場測風桿是觀測站最高接閃金屬導電體,增加了迎風接閃概率,導致雷電電流直接對測風桿上避雷針放電,避雷針在通過引下線對地泄流過程中,在避雷針泄流導體四周形成強大電磁場,處于該磁場中的微電子原件,因磁場感應產生電動勢,導致微電子原件因過電壓而損壞。

凸出的特殊地形地貌,加上機場氣象站位于貴州西南東北向雹云或雷雨回波發展通道上,這可能是凱里·黃平機場氣象站雷擊事故多發的重要原因。

3.3 雷電防護設施檢測分析

機場氣象站值班室、自動觀測站均安裝防直擊雷保護裝置,電源部分采取了 1級防雷電波入侵防護措施。雷擊現場設施接地電阻檢測結果為:值班室用房 (金屬板房)接地電阻 16Ω,值班室保護避雷針接地電阻 8.8Ω,自動站觀測場設備保護接地電阻8.5Ω,測風桿防直擊雷接地電阻 8.9Ω,觀測場金屬護欄接地電阻 8.9Ω,進入值班室電源 SPD電源保護器接地電阻為 42Ω,遠遠大于自動氣象站對接地電阻應≤2Ω的要求;自動站設備線路串擾電壓為16～19V,同樣遠遠超過串擾電壓≤2V的要求。以上數據表明,該自動氣象站防雷設施、保護接地電阻值和竄擾電壓均高于自動氣象觀測站對防雷接地、儀器保護接地電阻值和竄擾電壓值的要求值,致使高空雷暴云直接對自動站設備或風桿避雷針放電,形成導電通道,雷電電流不能及時泄入大地,在探測儀器或避雷針引下線 (導流管)四周形成極強的電磁場,而處于高磁場中的微電子元件因磁感應產生高電位,與之所連接的導線形成電位差,當電位差超出微電子元件承受能力時,造成微電子元件損壞。雷電防護裝置不符合技術規范要求,是造成凱里·黃平機場氣象站多次遭受雷擊的直接原因。

4 小結

為避免和減輕因雷電活動給該氣象站再造成損失,保護工作人員生命和國家財產安全,切實有效做好雷電防護工作,經討論研究,對凱里·黃平機場氣象站雷電防護措施提出以下整改措施:

①在觀測場東北角和西北角距離觀測場圍欄3m處增加兩支獨立避雷針,使測風桿處于獨立避雷針保護范圍內,發揮避雷針引雷作用,避免雷電對測風桿及觀測場內儀器直接放電。

②改良接地體接地效果,使自動氣象站儀器保護接地電阻達到 <2Ω的要求。

③進入室內電源設置 3級 SPD保護措施,SPD接地電阻應≤4Ω;進入室內電源戶外 30m采用埋地屏蔽處理。

④定期對自動站保護接地電阻進行檢測,隨時掌握接地體接地電阻的變化,當接地電阻達不到規范要求時,應及時予以整改。當接地電阻超出儀器設備要求,暫時不能整改時,為保證設備安全,應采用應急措施,即當雷雨天氣來臨時,切斷所有電源、切斷室內監控與室外數據采集器線路。

⑤為確保室內工作人員和設備安全,對值班室金屬板房保護接地體進行整改,使其接地電阻<10Ω。

⑥由雷達回波分析可知,導致凱里·黃平機場氣象站雷電災害發生的回波從強度上來看,強度僅在 30～35dBz之間,為一般的陣雨或雷雨回波,說明在特定的條件下,弱強度回波雷暴也可能造成雷擊事故的發生,在實際工作中值得探討分析,避免弱強度回波雷電造成災害損失。

[1] 中華人民共和國氣象行業標準《氣象臺 (站)防雷技術規范》.QX4-2000.

[2] GB50343-2004.建筑物電子信息防雷設計規范[S].

[3] GB5007-94.建筑物防雷設計規范[S].

[4] GB2887-2000.電磁兼容設計[S].

[5] 戴世昆,晏敏 .自動氣象站的雷電防護措施[J].廣西氣象,2005,28(3):16-17.

[6] 譚清波,劉朝英,劉詩韜 .羅甸“7.14”雷災事故分析和防護對策[J].貴州氣象,2008,32(6):39-40.

[7] 陳磊 .山區孤立建筑物防雷系統技術探討[J].貴州氣象,2008,32(6):37-38.

[8] 淺析土壤墑情與接地電阻檢測 .第五屆中國國際防雷論壇,2006.

[9] 貴州省短期天氣預報指導手冊 .貴州省氣象局,1987,324-325.

T M862

B

1003-6598(2010)06-0045-03

2010-06-08

鄧學軍 (1969-),男,工程師,主要從事防雷管理和技術服務工作。